采用泡沫轻质土对高填明洞二次回填的结构受力特性研究

李 明，严松宏，李 盛，马玉春，赵录学，张振琼

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000；3.中国铁路兰州局集团有限公司 兰州工程建设指挥部，甘肃 兰州 730000)

在城市周边的沟谷地区，铁路及公路工程采用隧道-高填明洞-隧道的方式时可提高城市用地的灵活性，随着城市规模不断扩大和规划调整，既有高填明洞已无法满足交通、排洪、土地开发等的需要，需进行二次回填。

国内外对于高填明洞回填研究主要是针对回填材料、回填方式、减载措施、不同明洞形式等的一次回填研究，在此基础上研究高填明洞在不同减载措施下的影响因素、结构受力特性以及周边土压力的变化规律等。Taylor等[1]以含秸秆的松土作为填料，Sladen等[2]采用稻草和聚苯乙烯塑料泡沫珠粒作为卸载材料，均取得了明显减载效果。Sun等[3]研究了在深埋地下构筑物顶部铺设EPS板前后，涵顶土压力变化及结构受力情况，计算结果表明，采用涵洞顶部铺设EPS板卸载后，顶部卸载28%，底部卸载42%，而涵洞侧边则影响不明显。顾安全等[4]、白冰等[5]探究了利用EPS板进行土压力减载，并在实际工程中推广。杨锡武等[6]、郑俊杰等[7]通过试验及理论推导提出了土工格栅加筋桥减载法。实际工程中虽然利用上述理论进行了减载，但考虑时间效应等因素，高填明洞结构在一次回填作用下仍然承受了较大荷载。

泡沫轻质土作为一种新型建筑材料[8-9]，具有轻质性、流动性、强度可调节、固化后可自立等优点，目前在市政、公路等工程中得到了广泛的应用。Lee等[10]将轻质泡沫土和疏浚土作为地下管道回填材料进行对比分析，得出泡沫轻质土更适合用于管道回填。Yoon[11-12]进行了泡沫轻质土的无侧限抗压强度试验，深入研究了泡沫轻质土的性能，表明了泡沫轻质土能够代替常规填土材料作为路堤和土结构的回填材料。陈忠平等[13]研究了泡沫轻质土的吸水特性，当胶凝材料为快硬水泥时，泡沫轻质土的吸水率显著降低，提高了泡沫轻质土在工程中的换填减载效果，为确保大体积泡沫轻质土的施工质量，需要对施工区进行分层、分缝浇筑，留出沉降缝位置，需选用高性能发泡剂，计量精度高和产能大的自动化施工设备。肖礼经[14]分析了桥头跳车对行车的影响，并以泡沫轻质土桥台填筑为例，深度分析了泡沫轻质土的对路基沉降及附加荷载的减轻效果。汪旻磊[15]在高填方路基工程中用轻质泡沫土进行置换回填，取得了良好效果。

前述研究未见在高填明洞上方二次回填实例，本文以西部某地区铁路高填明洞二次回填实际工程为依托，采用泡沫轻质土作为回填材料，按等质量置换原则进行二次回填。通过数值模拟确定合理泡沫土回填范围和开挖置换深度，并结合现场实测数据对比验证，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

某单洞双线铁路隧道明洞段长87 m，明洞结构跨度13.23 m，高12.24 m，设计回填高度15 m，明洞衬砌厚度1.2 m，采用C40钢筋混凝土。工程场地在勘探深度范围内的地层主要为回填土、砂质黄土、砂岩组成。既有铁路高填明洞回填示意见图1。

图1 既有明洞回填示意(单位：m)

既有明洞顶部由于回填造地形成一较大基坑，基坑平均宽度约90 m，平均深度约10 m，明洞中线位于基坑中央。由于上下游排洪通道高程的要求，需对明洞顶部进行二次回填。既有高填明洞顶部荷载较大，结构已经接近或达到受力极限，因此利用泡沫轻质土容重小、流动性好、强度和耐久性高的特性，按照等质量置换原则进行二次回填，可以达到增加既有高填明洞回填高度，又不影响明洞结构安全的目的。等质量置换示意图见图2图中，B为回填范围宽度，θ为回填范围角度。

图2 等质量置换示意

根据等质量置换原则，既有明洞下挖土方荷载等于二次回填轻质泡沫土总荷载，即

γ1×h=γ2×(h+H)

(1)

式中：γ1为既有回填土容重，kN/m3；γ2为回填泡沫轻质土容重，kN/m3；h为下挖既有填土高度，m；H为既有回填高程以上泡沫轻质土的高度，m。

2 轻质泡沫土合理回填范围及开挖置换深度的确定

2.1 模型的建立及参数选取

由于两侧二次回填土石对中间回填层的附加剪力作用有限，且从工程经济性角度考虑二次回填泡沫轻质土在高填明洞上方一定范围内回填即可，因此需要确定一个合理的泡沫土回填范围和向下的开挖置换深度。根据本工程实际情况，考虑不同泡沫土回填范围角度和开挖置换深度，采用有限元软件Midas GTS建立平面应变模型进行合理回填范围和开挖置换深度分析。由于边界条件对有限元模型计算精度影响较大，本模型计算宽度取两侧不小于一倍回填顶面宽度，基底以下深度不小于5倍洞径，模型尺寸400 m(宽)×125 m(高)。有限元网格划分见图3。

图3 有限元网格划分示意(单位：m)

隧道明洞衬砌采用弹性模型，周围地层与回填土采用Drucker-Prager弹塑性模型，下挖和回填过程分别用杀死和激活土层单元来实现。根据等质量置换原则，结合现场实际，泡沫轻质土相关参数参照文献[20]，岩土体基本物理力学参数参照地勘资料，弹性模量和泊松比参考文献[16-19]类似地层,并结合本工程区域地质特征采取经验数值，基本材料计算参数见表1。

表1 基本材料计算参数

2.2 施工步骤及计算工况拟定

先从既有明洞回填顶面以一定泡沫土回填范围角度向下开挖基坑，再自下而上采用泡沫轻质土分层回填至设计标高，对泡沫轻质土回填范围以外区域采用土石对称分层回填，计算工况考虑不同泡沫土回填范围和下挖置换深度的组合情况。二次回填施工步骤和计算工况见图4、表2。

图4 二次回填施工步骤示意

表2 计算工况

2.3 隧道初始状态受力分析

既有高铁明洞隧道衬砌结构初始内力见图5。

图5 初始状态衬砌内力图

高填明洞二次回填与既有隧道初始状态受力密切相关，明洞结构设计拱部多为近圆形断面，仰拱相对扁平，墙脚位置多为应力集中部位，从初始状态隧道结构受力上可看出，隧道拱顶、墙脚、仰拱为受力薄弱部位，因此结构受力分析主要以上受力薄弱部位为主。

2.4 合理回填范围及开挖置换深度确定

2.4.1 衬砌位移分析

由于计算所得的水平位移值和结构上浮数值变化较小，位移分析仅从竖直沉降进行分析，不同泡沫土回填范围角度和开挖置换深度下的竖向位移见图6。

图6 竖向位移

既有隧道沉降控制标准取决于结构的重要性等级、耐久性等情况，根据文献[21]，结合本地区工程经验，既有隧道结构的容许位移值见表3。

表3 既有隧道结构容许位移值

由图6(a)、图6(b)可知，拱顶竖向位移在泡沫土回填范围角度为0°，下挖置换深度6、8 m；泡沫土回填范围角度为30°，下挖置换深度8 m时超过允许沉降值；墙脚位移在泡沫土回填范围角度为0°，下挖置换深度6、8 m时超过允许沉降值。

以回填范围45°和下挖深度4 m为例(其余情况类似)绘制高填明洞位移分布见图7，通过图6、图7可以看出，整体竖向位移值拱顶位移>拱肩位移>拱腰位移>拱脚位移>仰拱位移。同一回填范围情况下，竖向位移随下挖置换深度增加整体呈上升趋势，这是因为下挖置换深度越大，对应上部两侧回填土越高，传递至隧道结构的荷载越大。同一下挖置换深度下，各部位竖向位移值随泡沫土回填范围增加而减小，说明泡沫土回填范围角度越大，两侧回填土范围越小，土压力向下传递较少，且开挖范围较大时，隧道结构引起的回弹加大，可以抵消一部分竖向位移。

图7 位移分布图

2.4.2 衬砌拉应力分析

不同泡沫土回填范围角度和开挖置换深度下的衬砌拉应力见图8。衬砌结构各部位的拉应力至均小于C40混凝土极限抗拉强度2.7 MPa。

图8 不同泡沫土回填范围角度与开挖转换深度下的衬砌拉应力

由图8(a)、图8(b)可知，衬砌拱顶拉应力随下挖置换深度增加整体呈上升趋势，拉应力数值随泡沫土回填范围增加而增加，同一下挖置换深度下，随着泡沫土回填范围角度增大，拱顶拉应力数值递增，说明泡沫土回填范围越大拱顶受拉应力越大。衬砌墙脚拉应力随下挖置换深度增加整体呈上升趋势，拉应力数值随泡沫土回填范围增加而减小，同一下挖置换深度下，随着泡沫土回填范围角度增大，墙脚拉应力数值递减，这说明泡沫土回填范围越大墙脚受拉应力越小。

由图8(c)可知，衬砌仰拱拉应力在泡沫土回填范围角度为0°时，随下挖置换深度增加呈上升趋势，其他泡沫土回填范围角度情况下随开挖置换深度先下降再增加，且在下挖深度为4 m时，各泡沫土回填范围角度情况下仰拱拉应力均达到了最小值，泡沫土回填范围角度为45°的整体仰拱拉应力数值均小于其他回填范围时的数值。

绘制回填范围45°和下挖深度4 m情况下高填明洞拉应力分布图，见图9。由图9可知，整体拉应力数值：仰拱拉应力>拱脚拉应力>拱顶拉应力>拱腰拉应力>拱肩拉应力，仰拱受拉应力最大。从45°回填范围情况不同下挖深度的包络关系看，下挖深度8 m时明洞各部位的拉应力明显大于其他下挖情况，其他下挖深度2、4、6 m时，拱顶、拱肩、拱腰的拉应力差别不大，拱脚拉应力在下挖深度2 m时出现最小值，仰拱拉应力在下挖深度4 m时出现最小值。从下挖深度4 m情况不同回填范围的包络关系看，拱顶、拱肩、拱腰部位拉应力数值在60°回填范围情况下大于其他回填范围情况；拱脚和仰拱部位拉应力在0°回填范围情况下大于其他回填范围情况；45°回填范围情况下在拱肩部位出现了一个较小的拉应力数值，且仰拱拉应力在45°回填范围情况下出现了拉应力最小值。

图9 高填明洞拉应力分布

2.4.3 衬砌安全系数分析

明洞衬砌安全系数计算根据文献[22]，按照钢筋混凝土矩形截面大偏心受压和小偏心受压公式进行计算，不同泡沫土回填范围角度和开挖置换深度下的衬砌安全系数见图10。

图10 衬砌安全系数

根据文献[22]，明洞衬砌按破损阶段检算构件截面强度时，根据结构所受的不同荷载组合，在计算中分别选用不同的安全系数，见表4。

表4 钢筋混凝土结构的强度安全系数

经计算衬砌结构各部位的安全系数均满足文献[22]要求的混凝土达到极限抗拉强度时安全系数大于2.4的要求。

由图10(a)可知，拱顶安全系数在泡沫土回填范围角度为60°时，随着下挖深度增加，安全系数不断减小，且数值均小于其他回填范围角度；回填范围角度为0°、30°、45°时，拱顶安全系数均出现先增大再减小的趋势，其中0°、30°下挖深度为4 m时，安全系数最大，45°下挖2 m安全系数最大。

由图10(b)、图10(c)可知，墙脚和仰拱安全系数在泡沫土回填范围角度0°时，随着下挖置换深度增加，安全系数先减小再增大，且整体数值均小于其他回填范围角度情况。泡沫土回填范围角度为30°、45°、60°时，墙脚和仰拱安全系数随着下挖置换深度增加，均出现先增大再减小的趋势，下挖深度为4 m时，安全系数达到最大值，泡沫土回填范围角度为45°时的整体安全系数大于其他角度回填情况。

2.4.4 合理回填范围及开挖置换深度

从位移分析结果可知开挖回填轻质泡沫土范围角度越大，下挖置换深度越小，竖向位移值越小，泡沫土回填范围角度为0°、30°且下挖置换深度较大时，拱顶和墙脚位移超过允许值；经对比分析，各种情况组合计算下，泡沫土回填范围角度为45°，下挖置换深度为4 m时，衬砌仰拱拉应力达到最小值，墙脚和仰拱安全系数达到最大值。综合考虑结构受力安全性、合理性及工程经济性，确定泡沫土合理回填范围角度为45°，合理下挖置换深度为4 m。

3 实际施工过程及监控量测

3.1 现场施工工序

根据以上研究结论，现场实际以原始回填顶面为0 m，回填范围角度为45°范围内下挖4 m，再进行分层回填施工，施工工序流程为：下挖至-2 m(工序一)→下挖至-4 m(工序二)→回填至-2 m(工序三)→回填至0 m(工序四)→中间泡沫土回填至2.5 m(工序五)→两侧土石回填至2.5 m(工序六)→中间泡沫土回填至5 m(工序七)→两侧土石回填至5 m(工序八)。施工工序示意见图11。

图11 施工工序示意(单位：m)

3.2 监控量测

3.2.1 监测点布置

既有明洞为运营线路，明洞回填段落洞内拱顶内间隔40 m有两处接触网吊柱，选择吊柱上螺栓作为参照物作为拱顶沉降测点，两侧边墙贴反光片作为洞周收敛测点。监测点布置见图12。

图12 监测点布置示意

3.2.2 监测结果分析

洞内拱顶沉降值和洞周收敛值见图13。由图13可知，洞顶基坑下挖会引起地层产生一定回弹，隧道拱顶产生向上位移，洞周则产生向内的位移，基坑挖至底部时产生最大拱顶向上位移4.7 mm，最大洞周净空收敛1.6 mm；随着基坑内泡沫土和两侧土石的回填，拱顶逐渐产生向下的位移，洞周向外产生位移，并最终超过初始拱顶沉降和洞周净空，最终拱顶沉降为1.5 mm，洞周收敛为0.2 mm。可以看出总体地层回弹引起的结构变形大于压缩引起的结构变形。

图13 洞内拱顶沉降值和洞周收敛

根据现场实测结果，在基坑挖至底部时拱顶产生向上的位移约1 mm，洞周向内净空收敛约0.2 mm。随着基坑内泡沫土和两侧土石的回填，明洞结构位移超过初始拱顶沉降和洞周净空，产生向下和向外的位移，最终拱顶沉降位1.1 mm，洞周收敛为0.15 mm。基坑下挖和回填过程中实测所得的拱顶沉降和洞周收敛数值均很小，说明回填土体长期固结压实形成一定的土拱效应，数值模拟计算无法完全考虑后期土体固结形成的真实土拱效应，导致实测数值和计算值存在差异，由于土拱效应的存在，一部分荷载由土拱承担，结构实际所受荷载和产生的位移均较数值模拟计算数值小。

考虑到该隧道的重要性及衬砌长期存在渗漏水等病害情况，其重要性等级为Ⅰ级，由以上图表可知计算值和实测值的拱顶沉降、结构上浮、水平位移均未超过容许位移值，说明该方案能够满足既有隧道结构安全。

4 结论

(1)利用轻质泡沫土对既有高填明洞顶部按照等质量置换原则在一定范围和开挖置换深度下进行二次回填，安全可靠，其结构位移、应力、安全系数均能满足要求。

(2)开挖回填轻质泡沫土范围越大，下挖置换深度越小，竖向位移值越小。泡沫土回填范围角度为0°、30°且下挖置换深度较大时，拱顶和墙脚位移超过允许值，此时会影响隧道结构的安全性。

(3)经对比分析，各种情况组合计算下，泡沫土回填范围角度为45°，下挖置换深度4 m时，衬砌仰拱拉应力达到最小值，墙脚和仰拱安全系数达到最大值。综合考虑结构受力安全性、合理性及工程经济性，泡沫土合理回填角度范围为45°，合理下挖置换深度为4 m。

(4)根据现场实测数据和计算值位移对比分析，隧道结构在隧道下挖基坑过程中由于地层回弹会产生拱顶向上和洞周向内的位移，最终回填后会产生拱顶下沉和洞周向外的位移，实测数据由于土拱效应小于计算值。